CN111486868B - 基于地物特征的光电望远镜免方位标扩展标校法 - Google Patents

基于地物特征的光电望远镜免方位标扩展标校法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于地物特征的光电望远镜免方位标扩展标校法，属于光学测量领域。首先将光电望远镜布置在测量点位，对光电望远镜调焦至目标清晰；然后对光电望远镜进行精细调平，对周围预选区域进行正倒镜拍摄，将拍摄图片标记为基准图像；再次对光电望远镜进行粗略调平，并进行正倒镜拍摄，将拍摄图片标记为标校图像。对基准图像和标校图像进行配准，根据标校图像相对基准图像中的像素移动和像素的空间指向角度，得到标校图像相对基准图像各方向的地物测量的相对角度误差数据。最后利用各方向的地物测量的相对角度误差完成光电望远镜的三差标定，并扩展完成调平误差，计算站址偏差，进行站址误差项的标定。本发明提高了工作效率，降低了工作难度。

Description

基于地物特征的光电望远镜免方位标扩展标校法
技术领域
本发明属于光学测量领域，具体是一种基于地物特征的光电望远镜免方位标扩展标校法。
背景技术
飞行目标跟踪测量用于观察目标的飞行过程、采集目标的飞行参数和记录目标的飞行轨迹。用于飞行目标跟踪测量的光学设备在白天标校时通常需要2～3个方位标支持，解算设备的“三差”(零位差、定向差和照准差)，且不能对设备的调平误差或站址误差等进行标定。
现拍方位标标校时需要对设备进行精确调平，工作耗时相对较多；需要方位标建设，成本相对较高；车载设备需要精确定位或附加偏移测量设施，成本相对较高。
发明内容
本发明针对上述问题，利于具备测角和图像记录能力的光电望远镜，在经常使用的布站点位进行观测，提出了一种使用基于地物特征的光电望远镜免方位标扩展标校法，通过对地物拍摄图像并配准完成设备“三差”标定，扩展完成调平误差(垂直轴倾斜量和倾斜方向)、站址误差项标定，降低设备调平精度要求，提高工作效率和测量精度，不需建设方位标，降低成本。
所述的免方位标扩展标校法，具体步骤如下：
步骤一、将光电望远镜布置在测量点位，根据光电望远镜能清晰成像的最近距离和仰角限制，对光电望远镜调焦至目标清晰；
步骤二、对调整好的光电望远镜进行精细调平，对周围预选区域进行正倒镜拍摄，将拍摄图片标记为基准图像；
精细调平的方法包括：垂直轴倾斜量和倾斜方向；
步骤三、再次对光电望远镜进行粗略调平，对周围预选区域进行正倒镜拍摄，将拍摄图片标记为标校图像；
粗略调平是指调整到该光电望远镜的误差范围内；
步骤四、对基准图像和标校图像进行配准后，根据标校图像相对基准图像中的像素移动和像素的空间指向角度，得到标定图像相对基准图像各方向的地物测量的相对角度误差数据；
通过图像景物的纹理进行配准；角度误差数据包括方位角和俯仰角。
步骤五、利用各方向的地物测量的相对角度误差完成光电望远镜的三差标定，并扩展完成调平误差；
三差标定包括零位差、定向差和照准差；
1、照准差c表达式如下：
Figure BDA0002431332470000021
ΔAd为光电望远镜的正镜方位角度与倒镜方位角度的差值；i为光电望远镜的水平轴倾斜误差，E+为光电望远镜的正镜拍摄的俯仰角度值；
2、零位差h表达式如下
Figure BDA0002431332470000022
ΔEs为光电望远镜的正镜俯仰角度与倒镜俯仰角度的和值；
3、调平差ΔEdd计算公式如下：
ΔEdd＝ΔE-ΔE0
    ＝-2Vcos(Av-A+)+2(d-d0)cosE+
    ＝-2Vcos(Av-A+)
ΔE为经纬仪俯仰角度的差值；ΔE0为拍摄基准图像中经纬仪俯仰角度的差值；V为光电望远镜的垂直轴倾斜角度；Av为光电望远镜的倾斜方向的方位角度；A+为光电望远镜拍摄图像的正镜方位角度；d为拍摄基准图像时镜筒的自重变形误差，d0为拍摄标准图像时镜筒的自重变形误差；
4、定向差g计算公式如下：
Figure BDA0002431332470000023
ΔAs为光电望远镜的正镜方位角度与倒镜方位角度的和值；g0为基准图像定向差。
步骤六、利用各方向的地物测量的相对角度误差计算站址偏差，进行站址误差项的标定；
具体步骤如下：
步骤601、首先，分别在垂直和水平两个方向平移光电望远镜，并确定各向平移量；
步骤602、对光电望远镜进行精细调平，摄取至少二组图像，标记为站址基准图像及相应平移数据。
步骤603、人为对光电望远镜站址添加误差进行粗略调平，摄取至少二组图像，标记为站址标校图像。
步骤604、利用站址基准图像和站址标校图像按线性关系差分获取站址误差；
计算公式如下：
Figure BDA0002431332470000031
ΔA为经纬仪方位角度的差值；Δx为站址水平面水平方向的误差值；A为经纬仪当前的方位角度；Ap为站址水平面移动方向的方位角；Δy为站址水平面垂直方向的误差值；R为站址与基准图像的距离；E为经纬仪当前的俯仰角度；ΔH为站址高度的变化量；
或
Figure BDA0002431332470000032
(ΔX0,ΔY0,ΔH0)为站址标校图坐标偏离基准图的坐标；Δp为站址标校图像中站址水平面移动方向的距离；Δp0为站址基准图像中站址水平面移动方向的距离。ΔX为站址标校图像中站址水平面水平方向的误差值；ΔY为站址标校图像中站址水平面垂直方向的误差值。
本发明的优点在于：
一种使用基于地物特征的光电望远镜免方位标扩展标校法，利用基准条件并制作基准图像，作为分离单项误差和站址修正的参考，对于常用的测量点位方法来说，能切实减少工作量，减少作业时间，提高了工作效率、降低了工作难度，减少精确获取误差项的相应附属配套设备，具有明显经济效益。
附图说明
图1为本发明一种使用基于地物特征的光电望远镜免方位标扩展标校法的流程图；
图2为本发明零位差光轴与水平面交线示意图；
图3为本发明垂直轴倾斜光轴与水平面交线示意图；
图4为本发明站址高度差光轴水平面交线示意图；
图5为本发明站址平移视轴与水平面交线示意。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图对本发明作进一步的详细和深入描述。
光电望远镜大都具备一定俯仰角的角度测量能力，方位通常为0°～360°，可对光电望远镜周围一定范围的地面及其固定附属目标进行成像，利用光电望远镜对其测量数据的变化来监测光电望远镜测量数据的变化情况，并分离系统误差，对光电望远镜测量数据进行修正，以提高设备的测量精度。
基于此，本发明提出了一种使用基于地物特征的光电望远镜免方位标扩展标校法，如图1所示，具体步骤如下：
步骤一、将光电望远镜布置在测量点位，根据光电望远镜能清晰成像的最近距离和仰角限制，对光电望远镜调焦至目标清晰；
根据各设备能清晰成像的最近距离和仰角限制，预选合适的仰角，并调焦至目标清晰，预选设备周围地物尽可能清晰、地面固定物尽可能丰富、尽量避开变化较大的植被区和活动目标区域。
步骤二、对调整好的光电望远镜进行精细调平，对周围预选区域进行正倒镜拍摄，将拍摄图片标记为基准图像；
精细调平的方法包括：
①通过已知设备的调平差(包括垂直轴倾斜量和倾斜方向)进行精细调平。
②通过拍星或其它天体、或在其它定位定向设备支持下，已经确定设备的方位零位准确指向。
转动设备方位角，按预选角度，控制对设备周围预选区域进行正倒镜拍摄，记录图像及相应的测角信息，标记为基准图像；并人工干预去除植物和活动目标等区域，并记录作为后续处理自动剔除选项。
步骤三、再次对光电望远镜进行粗略调平，对周围预选区域进行正倒镜拍摄，将拍摄图片标记为标校图像；
粗略调平是指调整到该光电望远镜可修正补偿允许的误差范围内；
步骤四、对基准图像和标校图像进行配准后，根据标校图像相对基准图像中的像素移动和像素的空间指向角度，得到标定图像相对基准图像各方位角方向的地物测量的相对角度误差数据；
图像配准处理包括：
1)通过图像景物的纹理进行配准，受光影变化影响小；
2)利用角度信息对基准图像和标校图像进行配对；
角度误差数据包括方位角和俯仰角。
步骤五、利用各方向的地物测量的相对角度误差完成光电望远镜的三差标定，并扩展完成调平误差；
首先，计算光电望远镜的空间指向基本误差模型：
Figure BDA0002431332470000051
其中，a为经纬仪方位角的误差值，e为经纬仪俯仰角的误差值；g为光电望远镜编码器的定向差；V为光电望远镜垂直轴倾斜角度误，Av为光电望远镜倾斜方向的方位角度；A为经纬仪当前的方位角度；E为经纬仪当前的俯仰角度；i为光电望远镜的水平轴倾斜误差，c为光电望远镜照准差。h为光电望远镜编码器零位差，d为拍摄基准图像时镜筒的自重变形误差。
然后，为计算方便，选择固定仰角标定，某地物测角误差数据有：
Figure BDA0002431332470000052
正镜拍摄，脚标+为正镜角度。ΔA+为光电望远镜的正镜拍摄的方位角度误差。A+为光电望远镜拍摄图像的正镜方位角度；E+为光电望远镜的正镜拍摄的俯仰角度值；ΔE+为光电望远镜的正镜拍摄的俯仰角度误差。
Figure BDA0002431332470000053
倒镜拍摄，脚标-为正镜角度。ΔA-为光电望远镜的倒镜拍摄的方位角度误差。ΔE-为光电望远镜的倒镜拍摄的俯仰角度误差。
基准图像正镜测量，脚标0表示基准图像，某地物测角误差数据有：
Figure BDA0002431332470000054
进行和差处理，有
ΔAS＝(A++ΔA+)+(180+A++ΔA-)＝2A++180+2g+2Vsin(Av-A+)tgE+  (1-5)
ΔAd＝(A++ΔA+)-(180+A++ΔA-)＝2i0tgE0++2c0secE0+-180  (1-6)
ΔEs＝(E++ΔE+)+(180-E++ΔE-)＝180+2h+d0cosE+-d0cos(180-E+)  (1-7)
ΔEd＝(E++ΔE+)-(180-E++ΔE-)＝2E+-180-2Vcos(Av-A+)+d0cosE++d0cos(180-E+)
                                                               (1-8)
ΔAS为光电望远镜正镜方位角度+误差与倒镜方位角度+误差的和值；
ΔAd为光电望远镜正镜方位角度误差与倒镜方位角度误差的差值；
ΔEd为光电望远镜正镜俯仰角度+误差与倒镜俯仰角度+误差的差值；
ΔES为光电望远镜正镜俯仰角度+误差与倒镜俯仰角度+误差的和值；
正镜方位角度等于倒镜方位角度+180；正镜俯仰角度等于180-倒镜俯仰角度。
三差标定包括零位差、定向差和照准差；
1、照准差
照准轴不垂直水平轴误差，其主要是由加工和装配误差引起，设备加工完成后，其变化量较小；照准差c表达式如下：
Figure BDA0002431332470000061
2、零位差
教材定义零位差是指编码器装订的零位与视轴水平方向俯仰角度的角度差，实际是俯仰编码器零位与垂直轴垂面的夹角，如图2和图3所示，与设备垂直轴是否垂直水平面无关。
零位差h表达式如下
Figure BDA0002431332470000062
3、调平差
由于垂直轴偏差V和倾斜方向角度Av本身定义在水平面-垂直轴及方位零度指向正北的测量标系中，即是相对水平面倾斜且用相对北向来标度的，垂直轴偏差(调平误差)不能从简单的正倒镜测量中计算获取，需要一个基准数据。
由于垂直轴倾斜是相对某坐标系相对倾斜量，不失一般性，基准图像可以认为代表基准坐标系，令V0＝0，由于镜筒自重变形d是一个仅与仰角相关的函数，在固定仰角的拍摄中，d为一个固定值，d0＝d，有调平差ΔEdd计算公式如下：
ΔEdd＝ΔE-ΔE0
＝-2Vcos(Av-A+)+2(d-d0)cosE+
＝-2Vcos(Av-A+)
ΔE0为基准图像中经纬仪俯仰角度的变化差值；d0为拍摄标准图像时镜筒的自重变形误差；
ΔEdd以方位角度数据展开图形，是一个正弦叠加一个常数量，可分离出相对垂直轴倾斜量V和倾斜方向Av。若已知基准图像V0和倾斜方向Av0，单独进行再次修正即可。
4、定向差
定向差是光电望远镜编码器方位零位指向与正北方向的角度差。定向差g计算公式如下：
Figure BDA0002431332470000071
g0为基准图像定向差。
步骤六、利用各方向的地物测量的相对角度误差计算站址偏差，进行站址误差项的标定；
具体步骤如下：
步骤601、首先，分别在垂直和水平两个方向平移光电望远镜，并通过拍星或在其它定位设备支持下确定各向平移量；
步骤602、对光电望远镜进行精细调平，摄取至少二组图像，标记为站址基准图像及相应平移数据。
步骤603、人为对光电望远镜站址添加误差进行粗略调平，摄取至少二组图像，标记为站址标校图像。
步骤604、利用站址基准图像和站址标校图像按线性关系差分获取站址误差；
如图4和图5所示，计算公式如下：
Figure BDA0002431332470000072
Δx为站址水平面水平方向的误差值；Ap为站址水平面移动方向的方位角；Δy为站址水平面垂直方向的误差值；R为站址与基准图像的距离；ΔH为站址高度的变化量；
或
Figure BDA0002431332470000073
(ΔX0,ΔY0,ΔH0)为站址标校图坐标偏离基准图坐标；ΔE0为拍摄站址基准图像中经纬仪俯仰角度的变化量；Δp为站址标校图像中站址水平面移动方向的距离；Δp0为站址基准图像中站址水平面移动方向的距离。ΔX为站址标校图像中站址水平面水平方向的误差值；ΔY为站址标校图像中站址水平面垂直方向的误差值。

Claims (4)

1.基于地物特征的光电望远镜免方位标扩展标校法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤一、将光电望远镜布置在测量点位，根据光电望远镜能清晰成像的最近距离和仰角限制，对光电望远镜调焦至目标清晰；
步骤二、对调整好的光电望远镜进行精细调平，对周围预选区域进行正倒镜拍摄，将拍摄图片标记为基准图像；
步骤三、再次对光电望远镜进行粗略调平，对周围预选区域进行正倒镜拍摄，将拍摄图片标记为标校图像；
步骤四、对基准图像和标校图像进行配准后，根据标校图像相对基准图像中的像素移动和像素的空间指向角度，得到标校图像相对基准图像各方向的地物测量的相对角度误差数据；
步骤五、利用各方向的地物测量的相对角度误差完成光电望远镜的三差标定，并扩展完成调平误差；
三差标定包括零位差、定向差和照准差；
1)、照准差c表达式如下：
Figure FDA0004108359030000011
ΔAd为光电望远镜的正镜方位角度与倒镜方位角度的差值；i为光电望远镜的水平轴倾斜误差，E+为光电望远镜的正镜拍摄的俯仰角度值；
2)、零位差h表达式如下
Figure FDA0004108359030000012
ΔEs为光电望远镜的正镜俯仰角度与倒镜俯仰角度的和值；
3)、调平差ΔEdd计算公式如下：
ΔEdd＝ΔE-ΔE0
    ＝-2Vcos(Av-A+)+2(d-d0)cosE+
    ＝-2Vcos(Av-A+)
ΔE为经纬仪俯仰角度的差值；ΔE0为拍摄基准图像中经纬仪俯仰角度的差值；V为光电望远镜的垂直轴倾斜角度；Av为光电望远镜的倾斜方向的方位角度；A+为光电望远镜拍摄图像的正镜方位角度；d为拍摄基准图像时镜筒的自重变形误差，d0为拍摄标校图像时镜筒的自重变形误差；
4)、定向差g计算公式如下：
Figure FDA0004108359030000013
ΔAs为光电望远镜的正镜方位角度与倒镜方位角度的和值；g0为基准图像定向差；
步骤六、利用各方向的地物测量的相对角度误差计算站址偏差，进行站址误差项的标定；
具体步骤如下：
步骤601、首先，分别在垂直和水平两个方向平移光电望远镜，并确定各向平移量；
步骤602、对光电望远镜进行精细调平，摄取至少二组图像，标记为站址基准图像及相应平移数据；
步骤603、人为对光电望远镜站址添加误差进行粗略调平，摄取至少二组图像，标记为站址标校图像；
步骤604、利用站址基准图像和站址标校图像按线性关系差分获取站址误差。
2.如权利要求1所述的基于地物特征的光电望远镜免方位标扩展标校法，其特征在于，步骤二中所述的精细调平的方法包括：垂直轴倾斜量和倾斜方向。
3.如权利要求1所述的基于地物特征的光电望远镜免方位标扩展标校法，其特征在于，步骤四中所述的角度误差数据包括方位角和俯仰角。
4.如权利要求1所述的基于地物特征的光电望远镜免方位标扩展标校法，其特征在于，所述的步骤604具体计算公式如下：
Figure FDA0004108359030000021
ΔA为经纬仪方位角度的差值；Δx为站址水平面水平方向的误差值；A为经纬仪当前的方位角度；Ap为站址水平面移动方向的方位角；Δy为站址水平面垂直方向的误差值；R为站址与基准图像的距离；E为经纬仪当前的俯仰角度；ΔH为站址高度的变化量；
或
Figure FDA0004108359030000022
(ΔX0,ΔY0,ΔH0)为站址标校图坐标偏离基准图的坐标；Δp为站址标校图像中站址水平面移动方向的距离；Δp0为站址基准图像中站址水平面移动方向的距离；ΔX为站址标校图像中站址水平面水平方向的误差值；ΔY为站址标校图像中站址水平面垂直方向的误差值。
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